貝葉斯參數(shù)估計與Gibbs Sampling

因為最近要弄懂貝葉斯參數(shù)估計在計量經(jīng)濟(jì)學(xué)中的應(yīng)用,想把筆記寫下來条获,當(dāng)做是一個復(fù)習(xí)施籍。內(nèi)容主要是參考了一下文獻(xiàn):Applied Bayesian Econometrics for Central Bankers

我們先從最簡單的OLS估計開始


原本的做法就是通過使誤差平方和最小化來實現(xiàn)最優(yōu)的參數(shù)估計

誤差平方和

當(dāng)然湃密,其實我們也可以使用似然函數(shù)最大化的方法來得到我們要估計的參數(shù)。

對應(yīng)的似然函數(shù)

那我們用這個似然函數(shù)來估計函數(shù)也是可以的返帕。

那為什么要用貝葉斯方法來估計參數(shù)呢?傳統(tǒng)的方法只能純粹地從數(shù)據(jù)中獲取信息篙挽。然而荆萤,貝葉斯方法不僅可以從數(shù)據(jù)中得到信息,而且可以加入先驗信息铣卡。

我們先介紹一般怎么使用貝葉斯來估計參數(shù)的呢链韭?
例如,現(xiàn)在我們要估計上邊模型中B這個參數(shù)煮落。

第一步:設(shè)置先驗分本

我們可以假設(shè)B服從以下分布:

B的分布

至于B的分布類型選擇與具體的參數(shù)選擇敞峭,這個問題成為第二個重要問題。

第二步:找到似然函數(shù)

似然函數(shù)

第三步:根據(jù)信息蝉仇,更新先驗分布旋讹,得到后驗分布

其實就是根據(jù)貝葉斯公式,求出后驗分布量淌。


貝葉斯公式

在進(jìn)入到具體的求解推導(dǎo)之前骗村,我們想來看看簡化了的兩種情況。

第一種情況呀枢,假設(shè)我們已經(jīng)知道方差胚股,只需要估計B的參數(shù)。
按照上面提到的三個步驟裙秋,我們一起來看看:
第一步:設(shè)置先驗分布

寫開之后

因為已知了方差琅拌,前部部分相當(dāng)于是一個常數(shù)。

第二步:找到似然函數(shù)

第三步:得到后驗分布

后驗分布

兩個正態(tài)的乘積還是正態(tài)分布

乘積之后的正態(tài)分布

經(jīng)過整理之后

參數(shù)出來了摘刑,目標(biāo)達(dá)成
我們知道

就可以改寫

改寫后的表達(dá)式

看到這個表達(dá)式之后进宝,我們可以回答先驗分布中的參數(shù)設(shè)置對估計有什么影響了。
當(dāng)∑比較小的時候枷恕,會方法先驗分布的影響党晋。
當(dāng)∑比價大的時候,說明減少先驗分布的影響,更看重的時候數(shù)據(jù)帶來的結(jié)果未玻。

現(xiàn)在我們來看第二種情況:已經(jīng)知道B灾而,估計σ2這個參數(shù)。
因為σ2永遠(yuǎn)都是正的扳剿,而正態(tài)分布是有正有負(fù)旁趟,顯然正態(tài)分布不適合用來作為σ2的先驗分布。

我們這里采用的是Gamma分布庇绽,為什么要采用Gamma分布锡搜,這里涉及到一個共軛分布的問題。到后面再解釋瞧掺。

先來介紹一下Gamma分布:
假設(shè)有T個樣本來自于以下分布耕餐。


正態(tài)分布
平方和

W就是服從自由度為T,尺度參數(shù)(scale parameter)為θ的Gamma分布了夸盟。感覺有點想卡方分布蛾方。

Gamma概率密度函數(shù)
Gamma分布的期望

到這里,我們可以重新使用三步曲

第一步:設(shè)置先驗分布

這里是Gamma分布

為什么不直接設(shè)σ<sup>2</sup>上陕,這樣設(shè)是有原因的

第二步:尋找似然函數(shù)

似然函數(shù)

s

第三步:計算后驗分布

想起來貝葉斯公式就好
相乘之后
整理得到

其中


參數(shù)
得到估計參數(shù)的期望

到這里我們可以解釋為什么我需要用Gamma分布桩砰,因為貝葉斯估計,到最后要跟其他分布相乘的释簿。Gamma分布有良好的性質(zhì):Gamma分布與正態(tài)分布相乘之后亚隅,還是服從Gamma分布,這種性質(zhì)叫做共軛(conjugate)

前面兩種情況都給我們現(xiàn)在要說的這種情況做鋪墊的庶溶。就是B和σ2都未知的情況煮纵。

我們一起來看看,還是三步曲:

第一步:設(shè)置先驗分布

將其轉(zhuǎn)化成之前已經(jīng)解決了問題

第二步:尋找似然函數(shù)

似然函數(shù)

第三步:計算后驗分布

第三步

我們涉及到σ2偏螺,分布的計算就沒有那么簡單了行疏。
這個是一個常規(guī)的路徑,然而運用這個常規(guī)路徑的時候套像,我們往就會算不下去了酿联。
我們最終的目的是有得到下面兩個條件分布。即使我們得到上述的聯(lián)合概率夺巩,很有可能也會積分難以計算的問題贞让。




有了這兩個邊緣分布(marginal distribution)我們就可以估計參數(shù)了。

基于上述說到的困難柳譬,我們可以模擬的方法來估計這兩個分布喳张。
這就引出我們要講的Gibbs Sampling的方法了!美澳!

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